松土促根剂和秸秆腐熟剂对砂姜黑土农田夏玉米生长及产量的影响

李方杰，时明坤，庞海芳，连延浩，任永哲，王志强，辛泽毓，林同保

(1．河南农业大学农学院，河南 郑州 450002;2．河南粮食作物协同创新中心，河南 郑州 450002;3．省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室，河南 郑州 450002)

黄淮海平原南部地区是中国的粮食主产区之一，砂姜黑土农田分布较广，约占该地区耕地面积的1/4。砂姜黑土农田土壤黏粒含量在35%以上，且以蒙脱石为主，遇水膨胀而粘闭，失水龟裂而僵硬，是典型的中低产田[1-5]。此外，在小麦-玉米复种连作种植制度下[6]，该区长期采用小麦季旋耕和玉米季免耕的耕作模式，导致犁底层加厚和耕层变浅，进一步限制了砂姜黑土农田生产力的提升[7]。目前，关于砂姜黑土土壤耕层改良的研究和应用主要集中在深松耕等耕作措施方面[5,8]，而运用土壤调理剂改善土壤环境促进地力提升的手段多应用在烟草、薯类和棉花等经济作物上[9-11]，其在小麦玉米周年种植模式下对小麦和玉米等粮食作物的作用则研究较少。土壤调理剂是一种对土壤理化性质有改良作用的天然或人工合成材料[12]，能够降低土壤容重和紧实度，提高土壤孔隙度，使土壤疏松，改善土壤团粒结构，打破板结，有效提高土壤养分和肥料利用率[9]。也有研究报道，施用土壤调理剂可以改善作物光合作用进而起到增产作用[10-11,13]。松土促根剂(RP)是一种人工合成的土壤调理剂，相比于传统天然土壤调理剂，具有用量少，可以混合肥料机施，操作简单方便等优点，有较广阔的应用前景。此外，秸秆还田作为培肥及改良耕层土壤的一种措施已经有了广泛研究，但在豫南砂姜黑土区还少见秸秆还田对夏玉米生长影响的研究报道[14]，特别是秸秆快速腐熟对秸秆还田条件下夏玉米生理生化特性及产量的影响，目前缺乏系统研究。秸秆腐熟剂(SD)是一种能促进秸秆等有机物质分解的生物活体制剂，它能促进秸秆的分解，提高秸秆中养分的释放和利用[15-16]，能够解决砂姜黑土农田由于土壤孔隙度低、透气性差而导致的秸秆分解慢的问题，起到一定的增产作用[17-20]。本研究通过研究RP和SD对夏玉米植株农艺性状、光合特性、灌浆特征等的影响，探究他们对豫南砂姜黑土地区夏玉米生长发育以及产量形成的作用效果，为进一步改善砂姜黑土土壤性质、提升农田生产力提供技术手段和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2019年在河南省驻马店市西平县二郎乡张尧村(33°19′48″N，114°01′01″E)进行，试验地平均海拔49 m，年平均日照时数2 157.2 h，年平均气温14.8 ℃，无霜期221 d，年平均降雨量852 mm。试验地土壤类型为砂姜黑土，土壤质地为黏土，0～20 cm土层pH值为5.87，有机质为14.73 g·kg-1、全氮为1.12 g·kg-1、铵态氮为5.26 mg·kg-1、硝态氮为12.02 mg·kg-1、有效磷为31.95 mg·kg-1、速效钾为122.47 mg·kg-1。

1.2 供试材料

供试玉米品种为郑单958；土壤调理剂为Agri-star松土促根剂(购自河南省火车头农业技术有限公司)，主要成分包括氨基酸酚、硫酸锌、硫酸亚铁、聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基苯磺酸、脂肪酸甲酯磺酸钠、硫酸锰等，表面活性剂总活性物质>1%，铁锰锌总含量为5%～10%；秸秆腐熟剂为BYM-秸秆腐熟剂(购自三门峡龙飞生物工程有限公司)，有效成分为芽孢菌类、米根霉和酵母菌等高效菌株及载体，有效活菌数不少于0.5亿个·g-1。

1.3 试验设计

田间试验采用随机区组设计，设对照(CK)、施用松土促根剂(RP)和施用秸秆腐熟剂(SD)3个处理，每个处理设置3个重复，共9个小区，小区面积为48 m2(6 m×8 m)。各小区内小麦秸秆残茬经粉碎留田，点播种植玉米，株行距分别为25和66.7 cm，种植密度为6万株·hm-2。RP施用量为15 kg·hm-2，与复合肥均匀混合后在玉米苗期施用；SD施用量为30 kg·hm-2，其中V细土∶VSD=4∶1混合后撒施于小麦秸秆残茬上，于玉米播前和苗期各施用50%。其他田间管理过程与当地生产习惯一致。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤容重 分别在玉米的拔节期、开花期和成熟期，利用环刀法测定耕层0～20 cm、20～40 cm的土壤容重[21]。

1.4.2 玉米植株农艺性状 在玉米开花期，于每个小区选5株具有代表性的植株测定株高、穗位高和茎粗。同时测定所有绿色叶片的长和宽，计算平均单株叶面积：长×宽×0.75。

1.4.3 SPAD值 分别在玉米开花期、灌浆期和乳熟期，于每个小区内随机选取5株长势一致的玉米植株，用叶绿素测定仪(SPAD-502)测定玉米穗位叶的SPAD值。

1.4.4 叶片光合速率及气体交换参数 分别在开花期、灌浆期和乳熟期，每个小区选择3株生长一致的代表性植株，选择晴朗天气在10:00—12:00，用 Li-6400光合测定仪测定穗位叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2摩尔分数(Ci)和蒸腾速率(Tr)。测定时参数：采用开放式气路,CO2质量分数为350 μmol·mol-1，应用系统LED光源补光，光量子通量为1 500 μmol·m-2·s-1。

1.4.5 子粒灌浆及灌浆特征参数 子粒灌浆动态：选择玉米果穗吐丝时间一致的玉米植株并挂牌标记，于授粉后第7、14、21、28、35、42 d进行取样。每次从各小区取 3 穗玉米，取穗中部子粒100粒，在105 ℃烘箱中杀青30 min后，80 ℃烘干至恒重，测定百粒质量。灌浆特征参数的计算方法：以授粉后天数(t)为自变量、授粉后每隔7 d测得的百粒质量为因变量(W)，参照朱庆森等[22]的方法，利用DPS 7.5软件进行Richards生长方程拟合，子粒灌浆特征参数和发育参数的计算参照陈广周[23]的方法。

1.4.6 产量及产量构成因素 成熟期在每个小区内，收取中间的2行果穗进行小区测产，并且随机选取20个果穗考察穗长、穗粗、穗行数、行粒数、百粒质量以及秃尖长。收获穗全部脱粒后自然晾晒风干，用近红外谷物水分仪测定水分后，按14%含水量折合成公顷产量。

1.5 数据统计分析

利用Microsoft Excel 2010进行数据分析和绘图；利用SPSS20.0软件进行处理间显著性检验(Duncan’s)和相关性分析；DPS7.5软件进行灌浆方程拟合。

2 结果与分析

2.1 松土促根剂和秸秆腐熟剂对土壤容重的影响

施用RP和SD后，0～40 cm耕层的土壤容重下降明显，尤其在玉米开花后，效果更为显著(表1)。与CK相比，2018年RP和SD处理的0～20 cm土层在玉米拔节期的土壤容重分别降低了2.05%和1.37%，20～40 cm土层的土壤容重分别降低了2.55%和1.27%；在玉米开花期，0～20 cm土层的土壤容重分别降低了7.43%和2.70%，20～40 cm土层的土壤容重分别降低了7.84%和3.92%；在玉米成熟期，0～20 cm土层的土壤容重分别降低了5.92%和3.28%，20～40 cm土层的土壤容重分别降低了5.70%和1.90%。2019年的结果与2018年相似，RP和SD处理的0～20 cm土层在玉米拔节期的土壤容重分别降低了3.82%和4.58%，20～40 cm土层的土壤容重分别降低了2.53%和1.27%；在玉米开花期，0～20 cm土层的土壤容重分别降低了4.62%和3.77%，20～40 cm土层的土壤容重分别降低了4.46%和2.55%；在玉米成熟期，0～20 cm土层的土壤容重分别降低了7.63%和6.11%，在20～40 cm土层，土壤容重分别降低了2.65%和1.99%。

表1 松土促根剂和秸秆腐熟剂对土壤容重的影响Table 1 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on soil bulk density

2.2 松土促根剂和秸秆腐熟剂对玉米植株性状的影响

施用RP和SP后，玉米植株长势良好，单株叶面积、茎粗和株高均显著增加(表2)。与CK相比，2018年RP和SD处理小区内的玉米单株叶面积分别增加3.64%和2.68%，茎粗和株高分别显著增加11.43%，13.21%和3.25%，2.08%，穗位高无明显差异，但由于株高增加，穗位系数分别显著降低4.08%和2.04%；2019年RP和SD处理小区内的玉米单株叶面积分别增加8.45%和5.03%，茎粗和株高分别显著增加15.45%，12.41%和3.14%，2.57%，穗位系数分别显著降低4.00%和4.00%，这有助于增强玉米植株的抗倒伏能力。

表2 松土促根剂和秸秆腐熟剂对夏玉米植株性状的影响Table 2 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on summer maize plant characters

2.3 松土促根剂和秸秆腐熟剂对叶片SPAD值的影响

RP和SD处理可以明显提高夏玉米花后叶片的SPAD值(图1)。2018年RP处理在开花期和灌浆期分别较CK增加了5.38%和3.66%，SD处理在灌浆期较CK增加了2.59%，均达到显著水平(P<0.05)。2019年的结果与2018年类似，RP处理在开花期、灌浆期和乳熟期分别较CK增加了6.34%、2.65%和5.39%，SD处理在灌浆期和乳熟期较CK增加了7.90%和8.41%，均达到显著水平(P<0.05)。

图1 松土促根剂和秸秆腐熟剂对夏玉米不同生育时期SPAD值的影响Fig.1 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on SPAD value of summer maize at different growth stages

2.4 松土促根剂和秸秆腐熟剂对玉米叶片光合作用的影响

RP和SP处理均可以提高夏玉米叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，降低胞间 CO2摩尔分数(图2)。相较于CK，RP和SD处理的玉米植株叶片光合速率在开花期、灌浆期和乳熟期分别提高了20.85%、13.00%、25.42%和18.94%、13.00%、22.71%；气孔导度在开花期、灌浆期和乳熟期分别提高了15.74%、22.34%、19.63%和14.78%、16.60%、19.91%；蒸腾速率在开花期、灌浆期和乳熟期分别提高了17.40%、10.24%、18.69%和16.47%、11.91%、13.87%；而胞间CO2摩尔分数在开花期、灌浆期和乳熟期分别降低了17.01%、13.01%、7.07%和15.11%、9.49%、4.60%。RP和SD处理的玉米植株，在玉米开花后其叶片光合作用长时间处于较高水平，这有利于光合产物的稳定积累。

图2 松土促根剂和秸秆腐熟剂对夏玉米不同生育时期光合速率、气孔导度、胞间CO2摩尔分数和蒸腾速率的影响Fig.2 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on net photosynthetic rate,stomatal conductance,intercellular CO2 mole fraction and transpiration rate of summer maize at different growth stages

2.5 松土促根剂和秸秆腐熟剂对子粒灌浆的影响

CK、RP和SD 3个处理的玉米百粒质量变化过程均呈S形曲线，从花后21 d开始，RP和SD处理的百粒质量均高于CK，并且在花后第42天，RP和SD处理百粒质量分别较CK高7.34%、5.95%。CK、RP和SD 3个处理子粒灌浆速率的变化均呈现先升高后降低的趋势(图3)。其中，CK在花后24 d灌浆速率达到最大，而RP和SD处理在花后25 d的灌浆速率达到最大。在花后14 d，RP和SD处理的灌浆速率开始高于CK，并且在花后28 d，RP和SD处理与CK的灌浆速率差值达到最大。

图3 松土促根剂和秸秆腐熟剂对夏玉米花后百粒质量和灌浆速率的影响Fig.3 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on 100-grain weight and grain filling rate of summer maize after flowering

通过软件拟合，建立了夏玉米百粒质量增长模型，并计算出相关的子粒灌浆参数(表3)。CK、RP和SD 3个处理的百粒质量增长拟合方程的决定系数(R2)均在0.99以上，说明所建立的Richard模型能很好地拟合各个处理下玉米百粒质量增长的进程。在利用该模型计算得出的子粒灌浆参数中，RP和SD处理的理论最终百粒质量(HGW)、达到最大灌浆速率的时间(Tmax)、灌浆速率最大时的百粒质量(Wmax)、最大灌浆速率(Gmax)、平均灌浆速率(Gmean)和活跃灌浆时间(P)均高于CK。

表3 夏玉米子粒粒重增长模型和子粒灌浆参数Table 3 Grain weight growth model and grain filling parameters of summer maize

通过计算分析玉米子粒的发育参数(表4)，发现RP和SD处理在子粒灌浆的渐增期、快增期、缓增期的持续天数，灌浆速率和灌浆积累量等多个指标上，均高于CK，且RP>SD>CK，说明RP和SD处理的子粒灌浆过程比CK更长，速度也更快。

表4 夏玉米子粒发育参数Table 4 Grain development parameters of summer maize

2.6 松土促根剂和秸秆腐熟剂对玉米产量及产量构成因素的影响

2018和2019两年的结果均表明，与CK相比，RP和SD处理的玉米穗长、穗粒数、百粒质量均增加，秃尖长降低，产量提高(表5)。2018年RP和SD处理分别比CK的穗长增加1.43和1.17 cm，穗粗增加0.98和0.76 mm，穗粒数增加52.93和29.80，秃尖长降低0.78和0.67 cm，百粒质量增加1.33和1.19 g，产量增加874.12和729.17 kg·hm-2，产量增幅达到11.27%和9.40%；2019年RP和SD处理分别比CK的穗长增加1.49和1.07 cm，穗粗增加1.28和1.01 mm，穗粒数增加92.07和79.42，秃尖长降低0.81和0.68 cm，百粒质量增加2.01和1.37 g，产量增加1 192.95和729.90 kg·hm-2，产量增幅达到15.73%和9.62%。

表5 松土促根剂和秸秆腐熟剂对夏玉米产量及产量构成因素的影响Table 5 Effects of soil loosening and root promoting agent and straw decomposing inoculants on summer maize yield and yield components

2.7 玉米叶片光合特性、灌浆参数与百粒质量的相关性分析

相关性分析结果表明，玉米产量(Y)与Pn、Gmax、Tmax、Wmax、Gmean、活跃灌浆期(P)、穗粒数(KNE)和百粒质量(HGW)均呈正相关关系，其中Y和KNE、Wmax呈极显著正相关关系；与Tmax、Wmax和KNE呈显著正相关关系(表6)。

表6 灌浆参数、光合特性与玉米产量的相关性分析Table 6 Correlation analysis of grain filling parameters and photosynthetic characteristics and yield

2.8 玉米叶片光合特征参数与产量的通径分析

以玉米产量为因变量，玉米叶片光合特征参数为自变量，进行逐步回归分析，得到回归方程：Y=613.28+2.19X1+93.43X2-1.69X3(式中：X1为净光合速率；X2为气孔导度；X3为胞间CO2摩尔分数)，为了判断叶片光合特征参数对玉米产量的影响程度，进行了通径分析并计算出各个参数的通径系数(表7)。结果显示，玉米产量与光合特征参数直接通径系数根据绝对值大小排序为胞间CO2摩尔分数>净光合速率>气孔导度，其中，净光合速率和气孔导度对玉米产量影响为正向的，胞间CO2摩尔分数对玉米产量影响为负向的。各指标中净光合速率的直接通径系数最大，并且其通过气孔导度和胞间CO2摩尔分数对玉米产量的影响的净贡献率在各间接通径系数中最大，说明净光合速率是影响玉米产量的主要因素。

表7 光合特征参数与产量的通径系数Table 7 Path coefficients of photosynthetic characteristic parameters and yield

3 讨论与结论

KAXAMIAS等[24]研究发现，土壤调理剂可使耕层土壤容重降低。作为一种人工合成的土壤调理剂，松土促根剂可以利用土壤的物理化学吸附络合作用，增加土壤阳离子交换量，使土壤形成更多孔隙，从而降低土壤容重。本研究的结果表明，施用松土促根剂能够显著降低砂姜黑土0～20 cm和20～40 cm耕层的土壤容重，改善玉米根系生长环境，有利于健壮植株的养成。HUANG等[25]研究发现，秸秆还田较秸秆不还田更容易降低土壤容重，其中秸秆还田结合施用秸秆腐熟剂的处理效果显著好于秸秆还田处理。秸秆腐熟剂可以使作物秸秆快速腐解，增加土壤微生物含量和养分，使土壤通透性增强。在本研究中发现，施用秸秆腐熟剂后，0～20 cm和20～40 cm耕层的土壤容重显著降低，玉米株高和茎粗增加，叶片光合作用增强。

勉有明等[26]的研究结果表明，秸秆还田下施用秸秆腐熟剂使土壤容重降低，提高土壤肥力，进而促进玉米生长。王凯等[27]研究发现，不同土壤调理剂可以提高土壤养分含量，促进黄瓜生长。本研究的结果表明，松土促根剂和秸秆腐熟剂均可以提高玉米单株叶面积，增加茎粗和株高，降低穗位系数。而且，松土促根剂和秸秆腐熟剂处理的夏玉米，开花后其穗位叶的光合速率显著提高，这可能与夏玉米叶片SPAD值的提升有关。施用松土促根剂和秸秆腐熟剂后，夏玉米叶片的SPAD值显著提高，较高的叶绿素含量有利于作物的叶片光合强度增加[28]。开花后，夏玉米进入以生殖生长为主的阶段，在此时期玉米根系对营养元素的吸收约占整个玉米生育时期对营养元素需求量的40%。有研究表明，土壤调理剂和秸秆腐熟剂可以增加土壤养分，促进作物根系生长[29-30]，进而使叶片叶绿素含量在较长时间内稳定在较高的水平。在这个时期，夏玉米主要功能叶片是植株的中上层叶片，此时提高叶片光合强度是决定玉米百粒质量，提高产量的关键阶段。本研究结果显示，叶片净光合速率和最大灌浆速率、玉米产量呈显著正相关关系。通径分析的结果也显示，叶片光合速率是影响玉米产量的主要因素。因此，土壤调理剂和秸秆腐熟剂处理促进了夏玉米穗位叶的光合强度，有利于籽粒灌浆和干物质积累，进而使玉米产量增加[31-32]。

研究结果表明，秸秆还田可改善土壤环境，能够为夏玉米花后籽粒灌浆和干物质积累与转运补充必需的土壤养分，使玉米获得较高的产量[33-34]。栽培措施对土壤的改变可以影响作物籽粒灌浆，如秸秆还田配施氮肥提高了土壤肥力进而改善了玉米灌浆特性、增加了百粒质量[34]。秸秆还田不但能改善土壤水肥气热状况，同时有利于作物生长发育、养分吸收积累和籽粒产量增加[35]。本研究的结果表明，秸秆还田结合应用松土促根剂和秸秆腐熟剂，可使夏玉米花后灌浆特性显著增强，百粒质量增加，产量显著提高，2018、2019年分别较对照增产11.27%和9.40%，15.73%和9.62%。并且，RP和SD处理能够增加子粒发育各阶段的持续时间和灌浆速率，延长籽粒发育后期的灌浆持续时间和灌浆速率，使灌浆后期物质供应充足，从而使产量增加；各灌浆参数与百粒质量和产量呈正相关关系，这与陈广周[23]的研究结果一致。

本研究的结果表明，施用松土促根剂和秸秆腐熟剂可有效降低砂姜黑土农田耕层土壤的容重，促进夏玉米植株生长发育，提高叶片光合性能，增强籽粒灌浆特性，进而提升玉米产量。因此，通过秸秆还田结合施用松土促根剂、秸秆腐熟剂，可成为改善砂姜黑土土壤环境，提升农田生产力的一种可行措施。